مدل سازی و طراحی دال های تخت بتن آرمه بر روی ستون ها فولادی

استفاده از دال تخت بتنی همراه با ستون ها و دیوارهای برشی بتن آرمه یکی از سیستم های سازهای متداول است که مطابق ضوابط ویرایش چهارم استاندارد 2800، بهکارگیری آن تا ارتفاع 50 متر از تراز پایه و در شرایط خاص تا 75 متر از تراز پایه مجاز می باشد. ضوابط کلی و نحوۀ آرماتورگذاری این نوع سقف ها نیز در بند 9-10-7 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ارائه شده است. لیکن درصورتی که طراح قصد اجرای دال بتنی بر روی ستون ها فولادی را داشته باشد، ضوابط بند مذکور در مبحث نهم قادر به پوشش برخی از جزئیات طراحی و اجرای این سیستم نمی باشد. در این سیستم، ستون ها فولادی همراه با نشیمن سخت شدۀ فولادی به عنوان تکیه گاه دال بتنی در نظر گرفته می شود (شکل پ3-1). بین دال و ستون یکپارچگی وجود ندارد. در مدل سازی این سیستم سقف در نرم افزار های SAFE یا ETABS باید مواردی از جمله شرایط تکیه گاهی، اتصال دال به نشیمن سختشدۀ فولادی و عدم یکپارچگی دال در محل ستون فولادی بهطور صحیح لحاظ شود. در این راهنما، برخی از نکات مدلسازی و طراحی این نوع سیستمها ارائه گردیده است.

تذکر: با توجه به اینکه مدارک و مستندات زیادی برای این نوع سیستم وجود ندارد، نکات ارائه شده در این راهنما بر مبنای تجربیات طراحی و اجرایی اعضای این کارگروه بوده که البته اکثر توصیه های پیشنهادی در جهت اطمینان ارائه شده است. بدیهی است درصورت انجام آزمایش یا بررسی های بیشتر درخصوص این نوع سقف ها ممکن است برخی از مطالب ارائه شده نیاز به اصلاح یا تکمیل داشته باشند.

نکات مدلسازی و طراحی:                                                    

1.استفاده از این نوع سیستم فقط در زیرزمین هایی که تقریباً در تمامی محیط آنها دیوارهای حائل بتن آرمه اجرا و این سقف ها به دیوارهای مذکور کلاف می شوند توصیه می شود. نظر اعضای این کارگروه آن است که مؤکداً از اجرای چنین سیستمی در طبقات بالای زیرزمین اجتناب گردد.

2. در صورتی که پس از طراحی سازه در نرم افزار ETABS ، طراح قصد دارد طراحی دال را در نرم افزار SAFE انجام دهد لازم است مشخصات فنی و هندسه دال به نرمافزار SAFE منتقل گردد( EXPORT).  در این حالت باید سختی ناحیۀ مشترک دال و ستون فولادی اصلاح شود .توضیح آنکه در نرم افزار SAFE به منظور معرفی سختی ناحیه اتصال دال به ستون، یک دال با ماهیت Stiff و با نام ColStiff در ناحیه مشترک دال و ستون بصورت خودکار ایجاد می شود. لیکن این سختیِ قابلملاحظۀ ناحیۀ مذکور، در اتصال دال بتنی و ستون فولادی وجود ندارد. بر این اساس و با هدف مدلسازی صحیح شرایط دال در محل ستون فولادی پیشنهاد می گردد ضرایب اصلاح سختی f22 ،f11 ،^m12 ،^m22 ،^m11 و^f12  برای ColStiff مذکور عدد کوچکی نظیر 0.001 معرفی گردد (و یا از طریق دستور Release، سختی خمشی المان Stiff حذف شود). متذکر می گردد، هرگاه دالی با ماهیت Stiff بر روی دال دیگری با ماهیت Slab مدل شود نرمافزار فقط دال با ماهیت Stiff را مدنظر قرار داده و دال با ماهیت Slab را در آن محل، نادیده می گیرد. بدین ترتیب با قرار گرفتن ColStiff اصلاح شده به شرح فوق در محل ستون فولادی ،عدم وجود دال در محدودۀ داخلی ستون فولادی به برنامه تفهیم خواهد شد.

تذکر: درصورتی که از نرم افزار ETABS نسخه 20 یا بالاتر استفاده می شود نیاز به طراحی دال در SAFE نبوده و مؤکداً توصیه می شود طراحی دال ها نیز در ETABS انجام شود؛ چرا که نیروهای داخل و خارج صفحۀ دال و نیز نیروهای انتقالی در دال (در نقش دیافراگم) در ETABS دقیقتر تعیین می شوند. همچنین متذکر می گردد نرم افزار ETABS نسخه 16 قادر به طراحی صحیح دال های مشبک نیست، لیکن این مشکل در ETABS نسخه 20 برطرف گردیده است.

3. به منظور کنترل تغییرشکل های دال، با توجه به عدم گیرداری اتصال دال به ستون فولادی ،ضرایب اصلاح سختی خمشی ستون ها حول هر دو محور اصلی آنها (ضرایب مربوط به ₂₂I و₃₃I) عدد کوچکی نظیر 0.01 معرفی شود؛ لیکن نباید ضریب اصلاح سختی خمشی برای دال معرفی گردد (غیر از ضرایب تبدیل مقطع تو پُُر به مقطع تو خالی در دال های مجوف دو پوش، درصورت استفاده از این نوع دال). همچنین نظر به آنکه پس از ارسال دال به SAFE، ستون ها فولادی بصورت یک ستون تو پُُر به ابعاد ستون فولادی نظیر و با مدول الاستیسیتۀ فولاد معرفی می شوند باید سختی محوری این ستون ها نیز اصلاح گردد (به عنوان مثال، یک ستون فولادی با مقطع قوطی به یک ستون تو پُُر فولادی تبدیل می شود و لذا لازم است ضریب اصلاح سختی محوری آن در SAFE برابر با نسبت سطح مقطع واقعی ستون مذکور به سطح مقطع حالت تو پُُر شدۀ آن معرفی گردد).

4. به منظور طراحی آرماتورهای دال، ضریبی جهت اصلاح سختی خمشی ستون ها فولادی معرفی نشود؛ لیکن ضریب اصلاح سختی خمشی دال ها برابر با 0.25 یا بر مبنای جدول 9-6-2-ب مبحث 9 معرفی گردد. درصورت استفاده از دال های مجوف دو پوش باید اثر ضرایب تبدیل مقطع تو پُُر به مقطع تو خالی نیز در نظر گرفته شود.

5. به منظور محاسبه برش سوراخ کننده (پانچ)، همانند ستون ها دارای سرستون عمل شود. ابعاد لازم جهت محاسبه محیط پانچ، برابر با ابعاد نشیمن فولادی معرفی شود (نرم افزار به طور پیشفرض در محاسبۀ محیط پانچ، ابعاد ستون را مبنا قرار می دهد). توصیه می شود جهت جلوگیری از پانچ در مقطع بحرانی دال، آرماتورهای برشی موردنیاز، بدون توجه به میزان تغییرمکانهای جانبی نسبی طبقات یا مقدار نیروی برشی، رابطۀ را اقناع نموده و حداقل تا 4 برابر ضخامت دال از بر تکیه گاه در مجاورت مقطع بحرانی دال ادامه یابند.

6. در سیستم دال-ستون چنانچه تمهیداتی جهت تأمین ظرفیت پس از پانچ پیشبینی نشده باشد، خرابی یک اتصال ممکن است منجر به وقوع خرابی پیشرونده و بعضاً فروریزش کل سازه شود .لذا تأمین ظرفیت پس از پانچ حائز اهمیت فراوان است. اگرچه آرماتورهای برشی دال (درصورت وجود) می توانند با ایجاد مقاومت محدودِ پس از پانچ، در جلوگیری از خرابی پیشرونده مؤثر باشند ،لیکن استفاده از آرماتورهای تحتانی دال (که از مخروط شکست عبور می کنند) برای این منظور مؤثرترند. لازم به ذکر است آرماتورهای فوقانی دال به دلیل ناچیز بودن پوشش بتن، تأثیر چندانی در تأمین ظرفیت پس از پانچ ندارند و باید از طریق تعبیه آرماتورهای تحتانی، ظرفیت پس از پانچ کافی تأمین گردد (شکل پ2-3).

بنابر توضیحات فوق توصیه می شود مطابق رابطه ارائه شده در استاندارد ¹¹-ACI 352.1R، آرماتور تحتانی، حداقل به مقدار حاصل از رابطه پ3-1 در دال تعبیه شود.

در رابطه فوق:

A_sm: حداقل آرماتور تحتانی دال که باید به صورت پیوسته در محل اتصال اجرا شود، بر حسب ؛mm²

w_u: بار گسترده یکنواخت ضریب دار کف بر حسب N/mm². مقدار این بار نباید کمتر از دو برابر بار مرده کف در نظر گرفته شود؛

ضریبی که مقدار آن برابر با 0.9 در نظر گرفته می شود؛

 ₁l و ₂l: طول دهانه های طرفین ستون در یک  امتداد که به صورت محور تا محور، برحسب ^mm تعیین می شوند؛

f_y : تنش تسلیم آرماتورهای موردنظر، برحسب N/mm².

در ستون ها فولادی که با براکت (نشیمن سخت شده) اجرا می شوند میتوان بر مبنای ضابطۀ بند 8.9 استاندارد 19-ACI318، آرماتورهای انسجام(A_sm)را به جای هسته ستون از روی براکت ها عبور داد. لازم به ذکر است این آرماتورها باید در هر دو جهت پیوسته باشند و در تکیه گاه های خارجی مهار شوند.

7– عرض نوارهای طراحی نباید مانند نوارهای ستونی و میانی در سازه های بتنی معرفی شود. در این حالت، عرض نوار ستونی در هر سمت محور ستون فولادی، برابر با 4t_c در نظر گرفته شود (شکل پ3-3). t_c، ضخامت دال تو پُُر در هر طرف مرکز ستون است و در دال های مجوف، اعم از یک پوش و دو پوش نیز برابر ضخامت نواحی تو پُُر مجاور ستون ها می باشد. بر همین اساس ،عرض نوارهای میانی نیز تعیین خواهد شد.

سایر نکات:

1.در هر وجه ستون که دال بتنی وجود دارد بر مبنای ضخامت دال از یک یا دو پروفیل نوردشده(^IPE16,18,..) یا از مقاطع ساخته شده از ورق به طول حدود 3 تا 4 برابر ضخامت دال استفاده شود که با جوش نفوذی کامل( CJP) به ستون جوش می شوند (شکل پ3-4). بدین منظور ،استفاده از اتصال پیچی که قادر به انتقال نیروی نظیر با مقاومت محوری اسمی تیر باشد نیز بلامانع است. توصیه می شود در طرفین جان این تیرهای فولادی از برشگیر بصورت گل میخ (شکل پ3-4-الف)، ناودانی یا از ورقهای سخت کننده (شکل پ3-4-ب) استفاده شود. دلیل اصلی اجرای این تیرهای فولادی، ایجاد یکپارچگی بین دال بتنی و ستون فولادی است تا به نوعی نقش ضوابط بندهای 9-10-7-3-6-ب و پ در سازه های بتنی(که باید حداقل دو آرماتور زیرین از هسته مرکزی ستون بتنی عبور کند) برای این نوع سقف ها تأمین گردد.

2.یکی از روش های طراحی ورق نشیمن آن است که همانند یک کف ستون وارونه در نظر گرفته شود. سخت کننده هایی که در زیر نشیمن فولادی جوش می شوند، سطح ورق یا کف ستون معادل را به نواحی دو، سه یا چهارطرف اتکا تقسیم می کنند و لذا همان روابطی که در طراحی کف ستون ها مورد استفاده قرار می گیرد در این حالت نیز مصداق می یابد (روابط مربوط به طراحی ضخامت کف ستون و ضخامت و ارتفاع سخت کننده ها). در این حالت جهت محاسبۀ تنش فشاری ایجادشده بر روی ورق نشیمن با توجه به پَخ زدن گوشه های ورق مذکور ،به طور محافظه کارانه از مساحت ناحیۀ هاشورخورده در شکل پ3-5 استفاده شود. همچنین جهت طراحی ورق نشیمن می توان از روابط مربوط به طراحی اتصال مفصلی از نوع نشیمن سخت شده نیز استفاده نمود.

3.درصورتی که دال بتنی صرفاً از دو یا سه طرف به ستون فولادی متصل می شود مؤکداً توصیه می گردد در وجوهی از ستون فولادی که دال به آن متصل است از دیوار بتنی یا تیر فولادی استفاده شود (شکل پ3-6). این حالت ممکن است برای ستون ها اطراف دستگاه پله، آسانسور ،رمپ ها و … رخ دهد.

4.در خصوص اتصال دال بتنی به بالهای ستون فولادی ،نظراتی به شرح ذیل وجود دارد:

1) قراردادن یونولیت به ضخامت حداقل 2.5 سانتیمتر در حد فاصل دال بتنی و بال ستون به منظور عدم پیوستگی بین دال و ستون. در این حالت باید طراح، مسیر انتقال نیروها از دال به ستون و برعکس را مشخص و برای آن، راهکار مناسبی درنظر گیرد (شکل پ3-7-الف).

2) بین دال بتنی و بال ستون فولادی هیچ فاصله ای ایجاد نشود(در تماس با یکدیگر باشند؛ شکل پ3-7-ب). هدف از این کار، جلوگیری از انتقال نیروهای افقی ایجاد شده در دال (در نقش دیافراگم) به ستون ها به ویژه در تراز تغییر سیستم فوقانی و تحتانی است. این نیروها باید توسط توزیع کننده های دیافراگم( Distributors) به دیوارهای برشی و دیوارهای پیرامونی انتقال یابد.

5. با هدف جلوگیری از تغییرشکل و اعوجاج مقطع ستون توصیه میشود در داخل ستون و در مجاورت نشیمن از سخت کننده های افقی استفاده شود. همچنین میتوان از ورقه ایی مشابه ورق پیوستگی استفاده نمود. اتصال این ورق ها به جدار داخلی مقطع ستون می تواند از طریق جوش گوشه اجرا شود.